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          常用流量计简介及其在大中型灌区节水改造中应用前景分析

          来源: 1、枝江市堤防养护站,湖北 宜昌 2、三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 作者:李金萍、王 浩 发布日期:2020-06-23

           摘 要:流量计作为水利行业必要的一种测量设备,可以实时提供当前渠道或管道的流量,也可以计量用水量的情况,并以此来核定和收取费用。本文着重介绍当前常用的几种流量计的原理和特点,用以在选择流量计时的参考。

           
                 党的十九大报告提出实施乡村振兴战略, 强调坚持农业农村优先发展,要体现在公共资源配置上,特别是要加快农田水利、水利设施建设、完善管护运行机制。通过农业水价综合改革,可以逐步调节城乡居民生活、农业灌溉、工业生产和生态用水水价,使之基本趋于合理,进一步挖掘年节水能力,明晰水流产权,根治水污染防治。其中,节水灌区改造、量水及用水设施配套,是关键环节。流量计(设施)在实施农业灌区取水计量,分水到户(田)中发挥着基础性作用。在灌区节水改造以及农业水价综合改革中,应用极为广泛。目前,市场上有多种测量流量的流量计,但它们原理、特点和局限性都不尽相同,没有一种流量计可以适用所用情况。因此,应用是需要结合当地条件进行合理选择。本文介绍了灌区节水改造中常见的一些流量计,以期为用户在选择时提供理论支撑和基础性的帮助。 
           
          1 常用流量计(设施)
          1.1 堰式流量计
                 堰式流量计是测量明渠流量的一种装置,其原理为在明渠中安装流水堰,水流将被堰板拦住而升高水位,并越过堰板。测定越板的水流的水位,根据水位 - 流量关系曲线确定下泄流量。常用的堰式流量计有 3 类:三角堰、矩形堰和全宽堰。三角堰用于测量小流量;矩形堰用于测量中流量;全宽堰用于测量大流量。堰式流量计价格低廉、使用简单,因而在明渠流量测量中被广泛采用。堰式流量计的使用也有局限性。它不能用于带有固体颗粒的流体,因为这些固体物质会损坏堰口或者沉积在堰板上游,影响流量的测量。因此,堰式流量计不合适泥沙含量大的水流或灌区。
           
          1.2 缆道测流
                 由水文缆道、全自动缆道综合控制台、缆道综合信号系统、联机通信模块、计算机控制系统等部分组成,集交流变频调速技术、光栅编码测距技术、缆道测流技术、缆道无线信号传输技术和计算机联机测控处理及数据整编技术于一体,该系统可以通过计算机控制水文缆道实现全自动、半自动方式对人工、天然河道任意断面流量监测。
           
                 缆道测流精度高,但昂贵的价格限制它的广泛应用。故此,缆道测流适合于重要断面的测流。
           
          1.3 梯形喉口无喉道量水槽
                 由收缩段和扩散段组成,槽底为原渠底,无底坎,两段之间为梯形喉口。该种量水槽水流边界变化较为平缓,有效改善小流量时测量误差和大流量时的水头损失。该测流设施对地形有一定要求,适合用灌区渠系中的渠道(支渠、斗渠)测流。
           
          1.4 孔板流量计
                 孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器(或差压变送器、温度变送器及压力变送器) 配套组成的高量程比差压流量装置,可测量气体、蒸汽、液体等流体的流量,具有结构简单,维修方便,性能稳定,广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领
          域的过程控制和测量。该测流装置测试对象为有压流动,在使用前需将明渠流转化为有压流。
           
          1.5 文丘里流量计
                 文丘里流量计是一种常用的测量有压管道流量的装置,属压差式流量计,常用于测量空气、天然气、煤气、水等流体的流量。它包括“收缩段”、“喉道”和“扩散段”3 部分,安装在需要测定流量的管道上,用于测量封闭管道中单相稳定流体的流量。流量测量范围非常大 / 非常小流量比很小,一般在 3~5 之间。该设备具有结构简单、适用工况范围广、易于实时监控等优点,缺点是难以满足变化幅度大的流量测量。
           
          1.6 均质管流量计
                 基于皮托管流量计发展起来的一种新型差压式流量计,通过测量截面多点的流速来获取截面的平均流速,可以应用于非对称性流速分布管段的流量测量。
           
                 该设备具有结构简单,安装方便,价格低廉和节能的优点,在管道中测流效果较好,用于明渠流动测流需经过进一步的改造。
           
          1.7 容积式流量计
                 利用测量元件, 把流经仪表内的流体,分隔为单个的固定容积部分,并连续不断地排出。其测量原理类似于一种标准容积的容器,连续地对流体流动的介质,进行固定容积的测量和计算。容积式流量计,具有对上游流动状态变化不敏感,可用于高粘度液体的测量,结构复杂,体积庞大,该设备在明渠流动测流中具有广阔的前景。
           
          1.8 电磁流量计
                 电磁流量计的测量原理是根据法拉第电磁感应定律测量流速,再测量流通截面液位高度得流通面积,两者相乘得到所测流量。
           
                 优点是压损极小,可测流量范围大。精确度较高,可测量电导率≥5μs/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿 浆、纸浆等的流体流量。缺点是,不能测量气体、蒸汽以及纯净水的流量,同时,仪器精密,价格比较昂贵。
           
          1.9 超声波流量计
                 超声波流量计基于传播速度差法的多声道结构。其基本原理可以归纳为声波在流体中顺流和逆流的传播时间差与流体流速成正比。根据接受到的频率时间差,可计算出流体的流速,采用流速 - 面积法得到流量。
           
                 优点是,测量准确度很高,几乎不受被测介质的各种参数的干扰,尤其可以解决其它仪表不能的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题,已在中型灌区有着广泛的应用。缺点是,价格贵、安装时对地形有一定要求。 
           
          2 讨论
          2.1 适用性
                 以上 9 种流量计(设施)在当前灌区取水计量工作中,已经有所应用,但是均不同程度的受到限制。堰流式流量计无法适应大流量明渠流动;缆道测流仅适合干支渠;梯形喉口无喉道量水槽对地形要求高;孔板流量计、均质管流量计及文丘里流量计只对管道流
          效果好;电磁流量计、超声波流量计价昂贵的价格影响了推广应用;容积式流量计,结构较为复杂,体积庞大。
           
          2.2 测流原理
                 从测流原里来看,以上九种流量计可分为:压力接触式、无压接触式、非接触式以及容积式。缆道测流、孔板流量计、文丘里流量计、均质管流量计属于压力接触式;堰式流量计、梯形喉口无喉道量水槽属于无压接触式;缆道测流、电磁流量计、超声波流量计属于非接触式;容积式流量计属于容积式。
           
          2.3 在灌区中的应用现状及前景
                 压力接触式流量计测流精度高,但是需要的配套设备及相关水流条件也高,适合于重要断面的测流;无压接触式流量设施,造价低,可以在地形满足要求的灌区干支渠采用;非接触式是目前应用非常受青睐的一种测流计,但价格昂贵,只有部分大型灌区或重要渠首取水计量时采用;容积式流量计目前在灌区中应用较少,随着技术的进步,将来会有较大应用前景。测流技术与数据传输技术相结合,是今后发展的一个方向,将来会有大发展。 
           
          3 结论
                 流量计发展至今已有一个世纪的历史,种类繁多,用途广泛,并且越来越精密。近年来由于电子技术的引入,赋予了流量计自我诊断的功用,更好的性能极大满足了行业用户的需求,同时创造了更大的市场空间。在未来流量计自动化程度会更高,可以结合通讯技术让使用者可以远程实时获取现场的流量数据和历史数据。

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